巷道維護原理和支護技術(shù)

1、第八章第八章 巷道維護原理和支護技術(shù)巷道維護原理和支護技術(shù)1.1. 無煤柱護巷無煤柱護巷2.2. 巷道圍巖卸壓巷道圍巖卸壓3.3. 巷道金屬支架（略講）巷道金屬支架（略講）4.4. 巷道錨桿支護巷道錨桿支護5.5. 軟巖巷道圍巖變形規(guī)律及其支護技術(shù)軟巖巷道圍巖變形規(guī)律及其支護技術(shù)6.6. 錨桿支護質(zhì)量監(jiān)測（略講）錨桿支護質(zhì)量監(jiān)測（略講） 一、一、“支架支架圍巖圍巖”相互作用原理相互作用原理 支架支架圍巖構(gòu)成統(tǒng)一的力學體系，二者之間有相互作圍巖構(gòu)成統(tǒng)一的力學體系，二者之間有相互作用，而二者合之又共同承載。用，而二者合之又共同承載。 1、支架、支架圍巖相互作用的基本狀態(tài)：圍巖相互作用的基本狀態(tài)：

2、給定載荷狀態(tài)給定載荷狀態(tài)支架僅承受其自重作用，與母體巖層的移動變形無關(guān)。支架僅承受其自重作用，與母體巖層的移動變形無關(guān)。 給定變形狀態(tài)給定變形狀態(tài) 支架阻力與圍巖移動性質(zhì)、支架特性有關(guān)。支架阻力與圍巖移動性質(zhì)、支架特性有關(guān)。 當支架變形特性與圍巖變形不相適應時，則可承受更高的載荷，支架被破當支架變形特性與圍巖變形不相適應時，則可承受更高的載荷，支架被破壞。壞。8.3 巷道金屬支架巷道金屬支架給定載荷給定載荷圍巖與母體巖層脫離，不受母體巖層移動圍巖與母體巖層脫離，不受母體巖層移動 影響，支架僅承受固定載荷作用。影響，支架僅承受固定載荷作用。 （支架載荷不大，且基本固定）（支架載荷不大，且基本固定

3、）定變形定變形圍巖受母體巖層移動影響，并將母體巖層圍巖受母體巖層移動影響，并將母體巖層 移動變形傳遞給支架，支架受載與巖層變形移動變形傳遞給支架，支架受載與巖層變形 特征有關(guān)。特征有關(guān)。 （支架載荷較大，與圍巖變形正比）（支架載荷較大，與圍巖變形正比）8.3 巷道金屬支架巷道金屬支架3、“支架支架圍巖圍巖”相互作用原理：相互作用原理： 由芬納位移公式可得右側(cè)曲線由曲線有：由曲線有： 支撐力支撐力 位移量位移量 支撐力支撐力 位移量位移量 支撐力不可能完全限制圍巖的位移；支撐力不可能完全限制圍巖的位移； 支撐力小到一定程度，支撐力小到一定程度，圍巖變形急劇增大，甚至破壞圍巖變形急劇增大，甚至破壞

4、； 不同特性支架、支護時間不同，支架承受載荷不同；不同特性支架、支護時間不同，支架承受載荷不同； 合理支撐力應在曲線合理支撐力應在曲線拐點附近拐點附近。8.3 巷道金屬支架巷道金屬支架4、“支架支架圍巖圍巖”相互作用原理的應用：相互作用原理的應用： 1）二次支護（新奧法）二次支護（新奧法）讓壓支護讓壓支護 2）柔性支護）柔性支護允許產(chǎn)生一定變形。允許產(chǎn)生一定變形。讓壓支護讓壓支護 3）主動支護）主動支護加大圍壓，提高圍巖強度。加大圍壓，提高圍巖強度。抗壓支護抗壓支護抗壓抗壓 讓壓讓壓 躲壓躲壓 移壓移壓8.3 巷道金屬支架巷道金屬支架二、巷道支護原則：二、巷道支護原則： 支護特點：支護特點：臨

5、時性、可變形臨時性、可變形。 支護要求：支護要求：確保安全，維護最小允許斷面確保安全，維護最小允許斷面。 基本支護類型：基本支護類型： （1）木支護：梯形（對棚或密集等）木支護：梯形（對棚或密集等） （2）金屬支架：）金屬支架： 工字鋼梯形支架工字鋼梯形支架 平頂可縮金屬支架平頂可縮金屬支架 拱形可縮性金屬支架拱形可縮性金屬支架 棚間距棚間距0.50.7m 。 （3）錨桿支護：）錨桿支護：8.3 巷道金屬支架巷道金屬支架三、巷道金屬支架支護：三、巷道金屬支架支護： 1、U 型鋼可縮性支架型鋼可縮性支架： （拱可縮）（拱可縮） U 型鋼型號：型鋼型號：U18、U25、U29、U36 （kg/m）

6、 1）基本結(jié)構(gòu)類型：）基本結(jié)構(gòu)類型：8.3 巷道金屬支架巷道金屬支架 2）支架連接件：）支架連接件： （螺栓連接件，螺栓連接件， 楔式連接件楔式連接件） 上限位連接件上限位連接件 中間連接件中間連接件 下位連接件下位連接件 連接件連接件= 鎖緊構(gòu)件鎖緊構(gòu)件+ 摩擦機構(gòu)摩擦機構(gòu)螺栓連接件螺栓連接件：強度高、剛性大、可縮性好、工作：強度高、剛性大、可縮性好、工作 阻力穩(wěn)定、型鋼滑移平穩(wěn)。阻力穩(wěn)定、型鋼滑移平穩(wěn)。8.3 巷道金屬支架巷道金屬支架 2、礦用工字鋼支架：、礦用工字鋼支架： 剛性特性，可縮量小，適用于圍巖穩(wěn)定條件。剛性特性，可縮量小，適用于圍巖穩(wěn)定條件。 通過增加接榫木墊、棚腿插入底板（墊

7、柱鞋）等措施通過增加接榫木墊、棚腿插入底板（墊柱鞋）等措施可以增加適量可縮量?？梢栽黾舆m量可縮量。 現(xiàn)場以梯形支架為主，拱型有如下類型： 拱頂斜腿拱頂斜腿 拱頂直腿拱頂直腿 錨噴加強拱頂錨噴加強拱頂8.3 巷道金屬支架巷道金屬支架一、錨桿種類與錨固力：一、錨桿種類與錨固力： 錨桿分類錨桿分類 錨固力錨固力機械錨固式機械錨固式賬殼式、倒楔式、楔縫式；賬殼式、倒楔式、楔縫式；粘結(jié)錨固式粘結(jié)錨固式樹脂、快硬水泥、水泥沙漿；樹脂、快硬水泥、水泥沙漿；摩擦錨固式摩擦錨固式縫管式、水脹式管狀錨桿縫管式、水脹式管狀錨桿。托錨力托錨力安裝時，拖板與錨桿的預緊力；安裝時，拖板與錨桿的預緊力；粘錨力粘錨力粘結(jié)摩擦

8、力與錨桿軸力；粘結(jié)摩擦力與錨桿軸力；切向錨固力切向錨固力限制巖塊沿弱面滑動的力。限制巖塊沿弱面滑動的力。初錨力、工作錨固力、殘余錨固力初錨力、工作錨固力、殘余錨固力8.4 巷道錨桿支護巷道錨桿支護二、錨桿支護原理二、錨桿支護原理從支護機理上看：從支護機理上看： 錨桿支護屬于錨桿支護屬于“主動主動”支護，可以充分利用圍巖的自承支護，可以充分利用圍巖的自承能力，提高巷道圍巖的穩(wěn)定性，將載荷體變?yōu)槌休d體。在相能力，提高巷道圍巖的穩(wěn)定性，將載荷體變?yōu)槌休d體。在相同生產(chǎn)地質(zhì)條件下，錨桿支護的巷道圍巖變形量比棚式支護同生產(chǎn)地質(zhì)條件下，錨桿支護的巷道圍巖變形量比棚式支護減少一半以上。減少一半以上。從技術(shù)經(jīng)濟

9、上對比：從技術(shù)經(jīng)濟上對比：錨桿支護可以節(jié)約大量鋼材，減少材料運輸工作量，減輕錨桿支護可以節(jié)約大量鋼材，減少材料運輸工作量，減輕工人的勞動強度和改善作業(yè)環(huán)境；工人的勞動強度和改善作業(yè)環(huán)境；保持采煤工作面上下兩道和開切眼的暢通，為回采工作面保持采煤工作面上下兩道和開切眼的暢通，為回采工作面快速推進和高產(chǎn)高效低成本生產(chǎn)創(chuàng)造有利條件；快速推進和高產(chǎn)高效低成本生產(chǎn)創(chuàng)造有利條件；錨桿支護巷道施工簡單，機械化程度高，可大幅度降低巷錨桿支護巷道施工簡單，機械化程度高，可大幅度降低巷道支護成本，提高掘進速度和生產(chǎn)效率道支護成本，提高掘進速度和生產(chǎn)效率8.4 巷道錨桿支護巷道錨桿支護二、錨桿支護原理：二、錨桿支護

10、原理： 1、懸吊原理、懸吊原理 2、組合梁原理、組合梁原理 3、壓縮拱原理、壓縮拱原理 4、最大水平應力原理、最大水平應力原理 5、圍巖強度強化理論、圍巖強度強化理論1、懸吊原理、懸吊原理8.4 巷道錨桿支護巷道錨桿支護1、懸吊原理、懸吊原理機理：機理：將巷道頂板較軟弱巖層懸吊在上部穩(wěn)定將巷道頂板較軟弱巖層懸吊在上部穩(wěn)定巖層上，以避免較軟弱巖層的破壞、失穩(wěn)和塌巖層上，以避免較軟弱巖層的破壞、失穩(wěn)和塌落，錨桿所受的拉力來自被懸吊的巖層重量。落，錨桿所受的拉力來自被懸吊的巖層重量。缺點：缺點：沒有考慮圍巖的自承能力，而且將被錨沒有考慮圍巖的自承能力，而且將被錨固體與原巖體分開。固體與原巖體分開。8

11、.4 巷道錨桿支護巷道錨桿支護2、組合梁原理、組合梁原理8.4 巷道錨桿支護巷道錨桿支護2、組合梁原理、組合梁原理機理：機理：p將錨固范圍內(nèi)的巖層擠緊，增加各巖層間的摩擦力，將錨固范圍內(nèi)的巖層擠緊，增加各巖層間的摩擦力，防止巖石沿層面滑動，避免各巖層出現(xiàn)離層現(xiàn)象，提防止巖石沿層面滑動，避免各巖層出現(xiàn)離層現(xiàn)象，提高其自撐能力。高其自撐能力。p將巷道頂板錨固范圍內(nèi)的幾個薄巖層鎖緊成一個較厚將巷道頂板錨固范圍內(nèi)的幾個薄巖層鎖緊成一個較厚的巖層（組合梁）。在上覆巖層載荷的作用下，這種的巖層（組合梁）。在上覆巖層載荷的作用下，這種組合厚巖層內(nèi)的最大彎曲應變和應力都將大大減小，組合厚巖層內(nèi)的最大彎曲應變和

12、應力都將大大減小，組合梁的撓度亦減小。組合梁的撓度亦減小。缺點：缺點：將錨桿作用與圍巖的自穩(wěn)作用分開；將錨桿作用與圍巖的自穩(wěn)作用分開；隨著圍巖條件的變化，在頂板較破碎、連續(xù)性隨著圍巖條件的變化，在頂板較破碎、連續(xù)性受到破壞時，組合梁也就不存在了。受到破壞時，組合梁也就不存在了。8.4 巷道錨桿支護巷道錨桿支護3、壓縮拱原理、壓縮拱原理8.4 巷道錨桿支護巷道錨桿支護3、壓縮拱原理、壓縮拱原理機理：機理： 在破裂區(qū)中安裝預應力錨桿時，在桿體兩端將形成在破裂區(qū)中安裝預應力錨桿時，在桿體兩端將形成圓錐形分布的壓應力，如果沿巷道周邊布置錨桿群，只要圓錐形分布的壓應力，如果沿巷道周邊布置錨桿群，只要鋪桿

13、間距足夠小，各個錨桿形成的壓應力圓錐體將相互交鋪桿間距足夠小，各個錨桿形成的壓應力圓錐體將相互交錯，就能在巖體中形成一個均勻的壓縮帶，即承壓拱，這錯，就能在巖體中形成一個均勻的壓縮帶，即承壓拱，這個承壓拱可以承受其上部破碎巖石施加的徑向荷載。在承個承壓拱可以承受其上部破碎巖石施加的徑向荷載。在承壓拱內(nèi)的巖石徑向及切向均受壓，處于三向應力狀態(tài)，其壓拱內(nèi)的巖石徑向及切向均受壓，處于三向應力狀態(tài)，其圍巖強度得到提高，支撐能力也相應加大。圍巖強度得到提高，支撐能力也相應加大。缺點：缺點： 一般不能作為準確的定量設(shè)計。一般不能作為準確的定量設(shè)計。8.4 巷道錨桿支護巷道錨桿支護4、最大水平應力理論、最大

14、水平應力理論8.4 巷道錨桿支護巷道錨桿支護4、最大水平應力理論、最大水平應力理論機理：機理：礦井巖層的水平應力通常大于垂直應力，水平應力具礦井巖層的水平應力通常大于垂直應力，水平應力具有明顯的方向性。在最大水平應力作用下，頂?shù)装鍘r有明顯的方向性。在最大水平應力作用下，頂?shù)装鍘r層易于發(fā)生剪切破壞，出現(xiàn)錯動與松動而膨脹造成圍層易于發(fā)生剪切破壞，出現(xiàn)錯動與松動而膨脹造成圍巖變形，錨桿的作用即是約束其沿軸向巖層膨脹和垂巖變形，錨桿的作用即是約束其沿軸向巖層膨脹和垂直于軸向的巖層剪切錯動直于軸向的巖層剪切錯動。缺點：缺點：直觀性較差。直觀性較差。8.4 巷道錨桿支護巷道錨桿支護5、圍巖強度強化理論、圍

15、巖強度強化理論理論要點理論要點錨桿和錨固區(qū)域圍巖體形成統(tǒng)一承載結(jié)構(gòu)錨桿和錨固區(qū)域圍巖體形成統(tǒng)一承載結(jié)構(gòu)錨桿支護可以提高錨固體的力學性質(zhì)錨桿支護可以提高錨固體的力學性質(zhì)提高殘余強度值提高殘余強度值改變圍巖的受力狀態(tài)改變圍巖的受力狀態(tài),提高承載能力提高承載能力減少破碎區(qū)減少破碎區(qū) 松動區(qū)范圍松動區(qū)范圍 8.4 巷道錨桿支護巷道錨桿支護等強螺紋鋼式樹脂錨桿金屬桿體（高強度錨桿）等強螺紋鋼式樹脂錨桿金屬桿體（高強度錨桿）高壓注漿錨桿高壓注漿錨桿8.4 巷道錨桿支護巷道錨桿支護MG系列漲殼式預應力注漿錨桿系列漲殼式預應力注漿錨桿8.4 巷道錨桿支護巷道錨桿支護8.4 巷道錨桿支護巷道錨桿支護三、錨桿的類

16、別三、錨桿的類別1、機械式錨桿、機械式錨桿 機械式錨桿是使用最早、結(jié)構(gòu)多樣、數(shù)量較大的錨桿機械式錨桿是使用最早、結(jié)構(gòu)多樣、數(shù)量較大的錨桿主要類型。機械式錨桿的錨固機構(gòu)本身是一個統(tǒng)一體，在安主要類型。機械式錨桿的錨固機構(gòu)本身是一個統(tǒng)一體，在安裝錨桿時，錨固機構(gòu)主要通過一個楔子系統(tǒng)在鉆孔中進行軸裝錨桿時，錨固機構(gòu)主要通過一個楔子系統(tǒng)在鉆孔中進行軸向或徑向相互錯動而張緊在鉆孔壁上。錨固機構(gòu)通過摩擦連向或徑向相互錯動而張緊在鉆孔壁上。錨固機構(gòu)通過摩擦連接將錨固力大多傳遞給巖層。機械式錨桿在安裝時，大多都接將錨固力大多傳遞給巖層。機械式錨桿在安裝時，大多都產(chǎn)生預緊力。有時，甚至錨固機構(gòu)必須直接依靠預緊力

17、來固產(chǎn)生預緊力。有時，甚至錨固機構(gòu)必須直接依靠預緊力來固定。定。 機械式錨桿的優(yōu)點：機械式錨桿的優(yōu)點：安裝迅速，可即時達到承載力，可二次安裝迅速，可即時達到承載力，可二次張緊，某些結(jié)構(gòu)的錨桿還可以回收。其缺點是，鉆孔中的錨張緊，某些結(jié)構(gòu)的錨桿還可以回收。其缺點是，鉆孔中的錨固段較短，在高應力區(qū)容易導致巖層破壞和錨固區(qū)松動；因固段較短，在高應力區(qū)容易導致巖層破壞和錨固區(qū)松動；因此，它主要用于強度較高的巖層。此，它主要用于強度較高的巖層。8.4 巷道錨桿支護巷道錨桿支護2、管縫式錨桿、管縫式錨桿管縫式錨桿的桿體，由高強度、高彈性鋼管或薄鋼管縫式錨桿的桿體，由高強度、高彈性鋼管或薄鋼板卷成。沿管全長

18、有一條開縫，管的上端是錐體，在管的板卷成。沿管全長有一條開縫，管的上端是錐體，在管的下端焊有一個用鋼筋制成的圓環(huán)。桿體壁厚為下端焊有一個用鋼筋制成的圓環(huán)。桿體壁厚為24mm、直徑多為直徑多為3545mm（要求比鉆孔直徑大（要求比鉆孔直徑大25mm），長度），長度可據(jù)需要加工，一般為可據(jù)需要加工，一般為1.602.0M；開縫寬度一般；開縫寬度一般1015mm為。當桿體被外力強壓入鉆孔后，開縫管被迫壓縮，為。當桿體被外力強壓入鉆孔后，開縫管被迫壓縮，與孔壁之間產(chǎn)生徑向擠壓應力，使桿體牢固的脹撐在鉆孔與孔壁之間產(chǎn)生徑向擠壓應力，使桿體牢固的脹撐在鉆孔內(nèi)；桿體與孔壁間的摩擦力，便成為錨固力，并且是沿桿

19、內(nèi)；桿體與孔壁間的摩擦力，便成為錨固力，并且是沿桿體全長分布的。體全長分布的。管縫式錨桿優(yōu)點：管縫式錨桿優(yōu)點：具有錨固可靠、安裝方便且易于實現(xiàn)機具有錨固可靠、安裝方便且易于實現(xiàn)機械化操作；即可實現(xiàn)全長錨固、又有較大預應力和滑移讓械化操作；即可實現(xiàn)全長錨固、又有較大預應力和滑移讓壓特性。壓特性。8.4 巷道錨桿支護巷道錨桿支護3、粘結(jié)式錨桿、粘結(jié)式錨桿 粘結(jié)式錨桿是通過粘結(jié)劑來取代錨固機構(gòu)。粘結(jié)劑粘結(jié)式錨桿是通過粘結(jié)劑來取代錨固機構(gòu)。粘結(jié)劑注入鉆孔內(nèi)，凝固后可將桿體粘固在鉆孔中。錨桿錨固力注入鉆孔內(nèi)，凝固后可將桿體粘固在鉆孔中。錨桿錨固力向巖層的傳遞，主要是通過粘結(jié)的形式，而不是向鉆孔壁向巖層的

20、傳遞，主要是通過粘結(jié)的形式，而不是向鉆孔壁通過機械或摩擦脹固等施加的擠壓力。通過機械或摩擦脹固等施加的擠壓力。 粘結(jié)式錨桿的優(yōu)點：粘結(jié)式錨桿的優(yōu)點：它能在較深的鉆孔中顯示出很好的粘它能在較深的鉆孔中顯示出很好的粘著力，而且可以不可壓縮的傳遞很大的力。由于它在錨固著力，而且可以不可壓縮的傳遞很大的力。由于它在錨固巖層時，并不產(chǎn)生特別的接觸壓力，所以對巖層強度無特巖層時，并不產(chǎn)生特別的接觸壓力，所以對巖層強度無特殊要求，從而也可在松散巖層中成功的使用。殊要求，從而也可在松散巖層中成功的使用。4、錨固劑、錨固劑我國煤礦中主要使用的錨固劑是我國煤礦中主要使用的錨固劑是樹脂樹脂快硬水泥快硬水泥8.4 巷

21、道錨桿支護巷道錨桿支護鋼帶鋼帶主要使用在頂板。主要使用在頂板。在巷道兩幫煤體較破碎、松軟時可使用在巷道兩幫煤體較破碎、松軟時可使用鋼筋梯鋼筋梯子梁子梁護幫。護幫。鋼筋梯子梁也使用在頂板。鋼筋梯子梁也使用在頂板。8.4 巷道錨桿支護巷道錨桿支護5、托梁、托梁 6、護網(wǎng)、護網(wǎng)網(wǎng)的作用主要是維護錨桿間比較破碎的巖石網(wǎng)的作用主要是維護錨桿間比較破碎的巖石，防止小巖塊掉落，同時對提高錨桿支護的，防止小巖塊掉落，同時對提高錨桿支護的整體效果也有一定的作用。整體效果也有一定的作用。網(wǎng)可分為金屬網(wǎng)和非金屬網(wǎng)。網(wǎng)可分為金屬網(wǎng)和非金屬網(wǎng)。8.4 巷道錨桿支護巷道錨桿支護四、組合錨桿支護：四、組合錨桿支護： 1、錨

22、梁網(wǎng)聯(lián)合支護：、錨梁網(wǎng)聯(lián)合支護： 錨桿錨桿 + 托梁（鋼帶）托梁（鋼帶）+ 金屬網(wǎng)金屬網(wǎng) 2、桁架錨桿支護、桁架錨桿支護錨桿錨桿 + 拉桿拉桿 + 拉緊器拉緊器 + 墊塊墊塊8.4 巷道錨桿支護巷道錨桿支護 桁架錨桿在頂板內(nèi)會形成水平和鉛直方向擠壓力，桁架錨桿在頂板內(nèi)會形成水平和鉛直方向擠壓力，使頂板的中性軸下移，增強頂板抗彎能力，提高其整使頂板的中性軸下移，增強頂板抗彎能力，提高其整體性。體性。8.4 巷道錨桿支護巷道錨桿支護 五、預應力錨索：五、預應力錨索： 1、類型、類型脹殼式鋼絞線預應力錨索脹殼式鋼絞線預應力錨索沙漿粘結(jié)式預應力錨索沙漿粘結(jié)式預應力錨索 2、小口徑預應力錨索結(jié)構(gòu)：、小口徑預應力錨索結(jié)構(gòu)：錨索比錨桿長，錨索比錨桿長，可錨入深部較穩(wěn)可錨入深部較穩(wěn)定的巖層中。定的巖層中。8.4 巷道錨桿支護巷道錨桿支護六、錨桿支護系統(tǒng)設(shè)計方法：六、錨桿支護系統(tǒng)設(shè)計方法： 由由地質(zhì)調(diào)查地質(zhì)調(diào)查、設(shè)計設(shè)計、施工施工、監(jiān)測監(jiān)測、信息反饋信息反饋等相互等相